當(dāng)開(kāi)關(guān)電源輸入過(guò)壓，如何防護(hù)？

摘要：本文通過(guò)開(kāi)關(guān)電源在輸入電壓過(guò)壓異常時(shí)電源的可能失效現(xiàn)象，分析輸入過(guò)壓時(shí)對(duì)電源元器件的應(yīng)力影響、以及過(guò)壓時(shí)元器件的失效機(jī)理。針對(duì)在輸入過(guò)壓時(shí)電源可能存在的失效原因，給出解決方案，以便提升電源的抗輸入過(guò)壓能力，提升電源的可靠性，從而提升整機(jī)設(shè)備的可靠性，降低輸入電壓波動(dòng)對(duì)電源和設(shè)備的失效影響。

關(guān)鍵字：開(kāi)關(guān)電源、輸入過(guò)壓、電網(wǎng)波動(dòng)、失效機(jī)理、提高可靠性

一、輸入電壓過(guò)壓原因

工控設(shè)備工作在戶外或是有電動(dòng)機(jī)等大型廠房的應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)，設(shè)備中的開(kāi)關(guān)電源在工作一段時(shí)間后突然就無(wú)輸出，拆開(kāi)電源外殼查看內(nèi)部元器件，發(fā)現(xiàn)電源輸入端的壓敏電阻炸裂或是大電解電容炸裂，甚至電源中的主功率MOS管也炸裂失效，元器件失效現(xiàn)象如下圖所示。

以上電源中元器件的失效原因往往是輸入端存在過(guò)高的電壓，或是輸入電壓中有疊加很高的電壓尖峰，導(dǎo)致電源的輸入電壓超過(guò)元器件的最大承受電壓而失效。

以上兩種情況，一旦輸入電壓波動(dòng)過(guò)大，超過(guò)電源中元器件承受的最大電壓應(yīng)力，元器件就會(huì)失效，導(dǎo)致電源失效。

1.1 輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)

輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸入電壓過(guò)壓，主要是電網(wǎng)中的負(fù)載出現(xiàn)較大波動(dòng)導(dǎo)致。例如在用電高峰時(shí)期電網(wǎng)電壓往往偏低；在一些有大型電動(dòng)機(jī)或是感性負(fù)載的廠房場(chǎng)合，當(dāng)負(fù)載停機(jī)或是開(kāi)機(jī)時(shí)，往往都會(huì)急劇抬高或拉低電網(wǎng)的電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)等級(jí)有如下規(guī)定：

電網(wǎng)電壓幅值實(shí)際變化范圍隨電網(wǎng)容量的大小、輸配電設(shè)備質(zhì)量的好壞、用電量的大小、電網(wǎng)后端負(fù)載、實(shí)際應(yīng)用環(huán)境等條件不同而產(chǎn)生很大的差別。在供電較好的城市和工業(yè)區(qū)，電網(wǎng)電壓變化范圍通常只有±10%（電網(wǎng)額定電壓220VAC，波動(dòng)上限為264VAC）左右。因此開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓最大值一般都是設(shè)計(jì)為264VAC。一旦電網(wǎng)電壓超過(guò)264VAC，開(kāi)關(guān)電源有可能會(huì)損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐稍O(shè)備跳閘、著火，對(duì)人員和財(cái)產(chǎn)造成威脅。

在供電條件較差的農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)、或者電網(wǎng)存在負(fù)載變化很大的應(yīng)用場(chǎng)景：如山區(qū)、公路隧道，發(fā)電機(jī)等電網(wǎng)供電場(chǎng)合，電壓變化范圍可能要大得多，有時(shí)甚至能夠達(dá)到20%~30%（274~299VAC）。此時(shí)電網(wǎng)輸入電壓已經(jīng)超過(guò)電源的最高輸入電壓264VAC，因此電源存在很高的失效風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致設(shè)備停電失效。惡劣工況下的電網(wǎng)電壓波形如下圖所示。

1.2 電網(wǎng)中存在感應(yīng)高壓電壓尖峰

當(dāng)用電設(shè)備在戶外場(chǎng)合時(shí)，在雷雨天氣打雷時(shí)，電網(wǎng)中有時(shí)會(huì)感應(yīng)到雷電高壓尖峰電壓，導(dǎo)致電網(wǎng)輸入電壓存在一個(gè)較高的電壓尖峰，此尖峰電壓會(huì)疊加到220VAC輸入電壓中，導(dǎo)致尖峰電壓隨之進(jìn)入電源內(nèi)部，電源內(nèi)部的元器件過(guò)壓損壞。最惡劣的情況是雷電直接擊中電網(wǎng)電線，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓瞬間上升到電源和設(shè)備無(wú)法承受的值，電源直接損壞。如下圖所示，當(dāng)感應(yīng)電壓進(jìn)入到電源內(nèi)部時(shí)，輸入大電解電容兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的浪涌尖峰電壓。此尖峰電壓會(huì)導(dǎo)致大電容過(guò)壓失效。

二、輸入過(guò)壓時(shí)電源的元器件電壓應(yīng)力分析

全球通用的電網(wǎng)電壓主要有110VAC和220VAC兩種，按照電網(wǎng)電壓正常波動(dòng)±10%設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓范圍，因此開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓范圍基本都是85~264VAC，以便適應(yīng)全球通用電壓范圍應(yīng)用。開(kāi)關(guān)電源常用的原理拓?fù)渲饕蟹醇?、正激和LLC三種，我們以最常用的反激拓?fù)湓頌槔治鲭娫粗械脑骷谳斎脒^(guò)壓時(shí)的應(yīng)力。分析當(dāng)電網(wǎng)電壓過(guò)壓到305VAC時(shí)，開(kāi)關(guān)電源中的元器件根據(jù)電壓應(yīng)力情況如何選擇合適的參數(shù)，以便電源在安全可靠的條件下正常工作。

2.1 保險(xiǎn)絲F1額定電壓選擇

保險(xiǎn)絲在正常工作時(shí)，其阻值是非常低，相當(dāng)于一根導(dǎo)線。只有當(dāng)流過(guò)的電流過(guò)大時(shí)，超過(guò)保險(xiǎn)絲的熔斷電流后，保險(xiǎn)絲才會(huì)熔斷，此時(shí)保險(xiǎn)絲的額定電壓值才變得重要。當(dāng)保險(xiǎn)絲內(nèi)部的熔絲熔斷后，保險(xiǎn)絲必須快速的斷開(kāi)，并且斷開(kāi)后兩端不能有拉弧現(xiàn)象發(fā)生，從而形成開(kāi)路情況保護(hù)后端電路。在保險(xiǎn)絲斷開(kāi)后，兩端承受的電壓不能讓斷開(kāi)的熔絲再次發(fā)生拉弧而導(dǎo)電。因此保險(xiǎn)絲的額定電壓指的是熔斷后其兩端能夠承受的最高電壓，在此電壓下，熔斷的保險(xiǎn)絲不能被擊穿拉弧而導(dǎo)電。

保險(xiǎn)絲常見(jiàn)的額定電壓規(guī)格有125V、250V、300V、400V等，對(duì)于輸入電壓最高為264VAC的開(kāi)關(guān)電源，在輸入電壓波動(dòng)較大的情況下，選擇300VAC額定電壓值的保險(xiǎn)絲就可(還要考慮成本)。因此在輸入電壓波動(dòng)到305VAC時(shí)，開(kāi)關(guān)電源中選擇300VAC規(guī)格額定電壓值的保險(xiǎn)絲，可以提高電源的可靠性，降低電壓波動(dòng)對(duì)電源的影響。

2.2 壓敏電阻RV1額定電壓選擇

壓敏電阻的作用：在實(shí)際電路應(yīng)用中，壓敏電阻RV1是并聯(lián)在輸入端L和N線之間。當(dāng)電路正常工作時(shí)，它處于高阻狀態(tài)，不影響電路正常工作；但是當(dāng)電路出現(xiàn)異常瞬時(shí)過(guò)電壓并達(dá)到其導(dǎo)通電壓（壓敏電壓）時(shí)，壓敏電阻迅速由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，泄放由異常瞬時(shí)過(guò)電壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過(guò)電流，同時(shí)把異常瞬態(tài)過(guò)電壓鉗位在一個(gè)安全水平之內(nèi)，從而保護(hù)后級(jí)電路免遭異常瞬時(shí)過(guò)電壓的損壞，達(dá)到防止輸入電壓瞬時(shí)過(guò)壓損壞電源的作用。

常見(jiàn)的壓敏規(guī)格如下表：

壓敏電阻的額定壓敏電壓值要大于實(shí)際電路中的穩(wěn)態(tài)工作輸入電壓值，即連續(xù)施加在壓敏電阻兩端的輸入電壓值要小于壓敏電阻規(guī)格書(shū)中的“最大連續(xù)工作電壓值”。如上表，300V AC和385V DC的壓敏顯然不滿足長(zhǎng)時(shí)間工作在305VAC輸入電壓條件下。為防止壓敏電阻損壞，同時(shí)為了防護(hù)輸入電壓存在電壓尖峰波動(dòng)導(dǎo)致電源失效，輸入處的壓敏電阻需要選擇561規(guī)格型號(hào)，提高電源的抗輸入電壓波動(dòng)能力和抗輸入尖峰電壓能力，從而提高電源的可靠性和設(shè)備的可靠性。

2.3 X電容CX1額定電壓選擇

X安規(guī)電容主要是跨接在輸入L和N線之間，其額定電壓一般有：275V / 305V / 310VAC等。出現(xiàn)這樣的情況，主要是不同國(guó)家的安規(guī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)不一樣、不同安規(guī)認(rèn)證要求的額定電壓不一樣導(dǎo)致。CQC認(rèn)證要求的額定電壓是310V AC，其它國(guó)家要求為：275V、305V AC、310V AC。為提高電源的可靠性，在對(duì)應(yīng)輸入電壓波動(dòng)比較大的應(yīng)用場(chǎng)合，選擇額定電壓值為310VAC的X安規(guī)電容，可以提高電源的抗輸入過(guò)壓能力，提高電源的可靠性。

2.4 整流橋BD1額定電壓選擇

整流橋的作用是把交流電壓整流成脈動(dòng)的直流電壓，因此其額定電壓值的選取是由輸入電壓值決定的。

因此整流橋可以選用600V額定電壓規(guī)格的元器件，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓存在一定的波動(dòng)，實(shí)際的輸入電壓值有時(shí)會(huì)超過(guò)電源的最大工作電壓值；同時(shí)開(kāi)關(guān)電源還需要滿足EMC性能實(shí)驗(yàn)，特別是雷擊浪涌和脈沖群實(shí)驗(yàn)，都是在輸入電壓基礎(chǔ)上疊加電壓尖峰。因此為了提高電源的可靠性，整流橋一般都是選用規(guī)格值為1000V的元器件。

2.5 輸入大電解電容C1額定電壓選擇

因此為了應(yīng)對(duì)輸入電壓存在較大波動(dòng)情況下，電容還留有一定的電壓裕量，大電解電容的額定電壓值應(yīng)該選用450VDC規(guī)格的電解電容（如果選擇更高的耐壓值，成本和體積都會(huì)大大增加）。

2.6 MOS管Q1額定電壓選擇

在反激拓?fù)湓碇?，MOS管的電壓應(yīng)力計(jì)算如下所示：

因此考慮到輸入電壓在305VAC基礎(chǔ)上存在一定的波動(dòng)而輸入電壓過(guò)壓，選用規(guī)格為650V的MOS管在電路中工作，MOS管的應(yīng)力還有一定的裕量，并且MOS管的電壓應(yīng)力可以通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整變壓器和電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化降低。

因此當(dāng)輸入電壓在305VAC穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，即使電網(wǎng)電壓存在一定的波動(dòng)，選用650V的MOS管，也是有一定的電壓應(yīng)力裕量，可以提高電源在輸入過(guò)壓下的可靠性。當(dāng)然MOS管的規(guī)格參數(shù)可以選用更高的電壓值，但是成本也會(huì)上升。

2.7 二極管D1額定電壓選擇

因此輸入電壓、變壓器的原次邊匝比n不同，MOS管和二極管的電壓應(yīng)力值如下表所示：

由上表可知，若開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓只考慮到

=373VDC（此時(shí)交流輸入電壓值為264VAC），MOS管和二極管的電壓應(yīng)力規(guī)格取值都會(huì)偏小。此時(shí)開(kāi)關(guān)電源不能適用于

=431VDC（交流輸入電壓305VAC）的情況。因此對(duì)于輸入電壓范圍為85-264VAC的開(kāi)關(guān)電源而言，一旦輸入電壓波動(dòng)超過(guò)264VAC的最高額定工作電壓時(shí)，電源就會(huì)有輸入過(guò)壓損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，以開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓12V為例，考慮到305VAC輸入電壓波動(dòng)的情況、或是存在雷擊浪涌尖峰電壓情況下，為保證二極管可靠工作，二極管選取規(guī)格參數(shù)150VDC為宜。當(dāng)然也可以通過(guò)調(diào)整優(yōu)化變壓器的匝比、漏感和二極管的吸收電路參數(shù)等，降低二極管的電壓應(yīng)力，選取100V規(guī)格的二極管。只是二極管的電壓應(yīng)力裕量會(huì)比較小。

三、輸入過(guò)壓防護(hù)要求和解決方案

根據(jù)上面的分析可知，開(kāi)關(guān)電源的輸入過(guò)壓主要有兩個(gè)原因：1、輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)，輸入電壓超過(guò)開(kāi)關(guān)電源的最高工作電壓；2、輸入電壓中存在尖峰電壓；

3.1 輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)的輸入過(guò)壓防護(hù)方案

針對(duì)輸入電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)開(kāi)關(guān)電源的防護(hù)方案，根據(jù)本文第二章對(duì)電源中各個(gè)元器件的電壓應(yīng)力計(jì)算可知，為了解決輸入電壓過(guò)壓導(dǎo)致開(kāi)關(guān)電源的損壞，最好的辦法就是優(yōu)化元器件的電壓應(yīng)力，選用更高規(guī)格參數(shù)的元器件。以下表格中是最高輸入電壓為264VAC和電壓波動(dòng)到305VAC時(shí)的元器件選取規(guī)格參數(shù)。

同時(shí)，輸入電壓波動(dòng)到更高的電壓后，電源內(nèi)部的任意兩點(diǎn)之間的絕緣電壓也會(huì)隨之升高，為了加強(qiáng)電源內(nèi)部的絕緣性能，增加可靠性?？梢酝ㄟ^(guò)加大電源內(nèi)部走線和元器件之間的電氣間隙和爬電距離來(lái)保持高壓導(dǎo)線之間的安全距離，這樣就不會(huì)因?yàn)榘踩嚯x不夠而產(chǎn)生的拉弧、放點(diǎn)現(xiàn)象，導(dǎo)致電源損壞或是危害人身安全。

因此根據(jù)以上分析，對(duì)于輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)導(dǎo)致的輸入過(guò)壓的防護(hù)方案，可以采取以下兩個(gè)措施：1、開(kāi)關(guān)電源中的關(guān)鍵元器件的規(guī)格選用更高等級(jí)的參數(shù)(當(dāng)然需要兼顧可靠性和成本的平衡)；2、同時(shí)加大電源中的走線和元器件之間的電氣間隙和爬電距離；通過(guò)這兩個(gè)方案的結(jié)合，開(kāi)關(guān)電源防護(hù)輸入過(guò)壓的能力會(huì)大大提高，增加開(kāi)關(guān)電源抗輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)導(dǎo)致的輸入過(guò)壓損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 輸入電網(wǎng)中存在高壓尖峰電壓的輸入過(guò)壓防護(hù)方案

對(duì)于輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)的輸入過(guò)壓，此過(guò)電壓維持的時(shí)間比較長(zhǎng)，是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，因此需要通過(guò)3.1節(jié)中的方案進(jìn)行防護(hù)。對(duì)于電網(wǎng)輸入電壓中存在瞬間的高壓尖峰電壓的輸入過(guò)壓防護(hù)，由于此尖峰電壓持續(xù)的時(shí)間非常短，一般為毫秒甚至是微秒級(jí)別。此高壓尖峰電壓的特點(diǎn)是：尖峰電壓高，持續(xù)時(shí)間短，尖峰電壓的能量并不大。根據(jù)此尖峰電壓的特點(diǎn)，可以通過(guò)壓敏電阻進(jìn)行鉗位防護(hù)，或是在開(kāi)關(guān)電源的輸入端增加一個(gè)濾波器，防護(hù)效果更好。

在實(shí)際的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用場(chǎng)合中，輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)和高壓尖峰電壓可能會(huì)同時(shí)存在，因此為了防護(hù)此更加惡劣的工作條件下的開(kāi)關(guān)電源，可以結(jié)合以上兩種解決方案，以便增強(qiáng)開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用可靠性，提升設(shè)備的抗輸入過(guò)壓能力。

四、總結(jié)

本文通過(guò)在實(shí)際應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源的過(guò)程中遇到的開(kāi)關(guān)電源輸入過(guò)壓失效現(xiàn)象，對(duì)開(kāi)關(guān)電源由于輸入過(guò)壓導(dǎo)致失效的原因分析，從理論計(jì)算給出開(kāi)關(guān)電源中關(guān)鍵元器件的電壓應(yīng)力分析，確定開(kāi)關(guān)電源中關(guān)鍵元器   件的電壓應(yīng)力選型依據(jù)和選型規(guī)格，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化電源中的走線和元器件之間的電氣間隙和爬電距離增加電源的抗輸入過(guò)壓能力。針對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輸入過(guò)壓兩種可能情況（輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)和輸入電壓中存在高壓尖峰電壓），分別給出解決方案。如果在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，此兩種解決方案同時(shí)應(yīng)用，可以大大增加開(kāi)關(guān)電源的抗輸入過(guò)壓能力，提升開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用可靠性和設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

針對(duì)抗輸入過(guò)壓的電源產(chǎn)品，旭之源科技有相應(yīng)的電源產(chǎn)品方案：升級(jí)版AM-V2系列和半灌膠AMF-UH系列，這兩個(gè)系列的開(kāi)關(guān)電源可以很好的解決輸入過(guò)壓導(dǎo)致電源失效的問(wèn)題。另外也能通過(guò)搭配濾波器，進(jìn)一步增強(qiáng)開(kāi)關(guān)電源的抗輸入過(guò)壓時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，提升開(kāi)關(guān)電源和設(shè)備的工作可靠性。